PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÀ CƠ CHẾ VẬT LÝ GÂY MẤT ỔN ĐỊNH CỦA TUA BIN FRANCIS Ở CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI THẤP

Tóm tắt

Ở chế độ phụ tải thấp, tua bin Francis thường xuất hiện dòng hồi lưu tại cửa ra bánh công tác và các cấu trúc xoáy mất ổn định trong ống hút, gây suy giảm hiệu suất và gia tăng dao động thủy lực. Trong khi các nghiên cứu trước chủ yếu tập trung vào hình thái xoáy hoặc dao động áp suất, cơ chế suy giảm truyền năng lượng do lệch hướng không gian giữa véc tơ vận tốc và gradient áp suất vẫn chưa được làm rõ. Nghiên cứu này áp dụng nguyên lý phối hợp trường, trong đó góc phối hợp trường θ được sử dụng làm chỉ tiêu đánh giá hiệu quả truyền năng lượng. Kết quả CFD cho thấy θ tại cửa ra bánh công tác phân bố không đồng nhất và đóng vai trò khởi phát mất ổn định trong ống hút. Ở phụ tải thấp, khoảng 51% vùng có θ > 90° và vùng hồi lưu chiếm gần 21%, phản ánh sự suy giảm chuyển đổi động năng và áp năng. Ngược lại, tại điểm tính toán, các tỷ lệ này giảm đáng kể. Kết quả cho thấy mối liên hệ định lượng giữa lệch hướng vận tốc, gradient áp suất và cơ chế mất ổn định, cung cấp một chỉ báo hiệu quả cho đánh giá và tối ưu vận hành tua bin trong dải tải rộng.

Abstract

Under low load operating conditions, Francis turbines commonly exhibit backflow at the runner outlet and unstable vortex structures in the draft tube, leading to efficiency degradation and increased hydraulic fluctuations. While previous studies have mainly focused on vortex morphology or pressure fluctuations, the mechanism of energy transfer deterioration caused by the spatial misalignment between the velocity vector and the pressure gradient remains insufficiently understood. In this study, the field synergy principle is employed, in which the field synergy angle θ, defined as the angle between the velocity vector and the pressure gradient, is adopted as an indicator of energy transfer efficiency. CFD results reveal that θ at the runner outlet is highly non uniform and acts as a trigger for instability development in the draft tube. Under low load conditions, approximately 51% of the flow domain exhibits θ greater than 90 degrees, and the backflow region accounts for nearly 21%, indicating a reduced conversion of kinetic energy into pressure energy. In contrast, at the best efficiency point, these proportions decrease significantly. The results quantitatively demonstrate the relationship between velocity and pressure gradient misalignment and flow instability, providing an effective indicator for assessing energy transfer degradation and supporting optimal turbine operation over a wide load range.

Keywords: Hydraulic turbine, CFD, Field synergy, Flow instability, Energy transfer.